[論文レビュー] Physics Beyond Colliders QCD Working Group Report

A. Dainese, Markus Diehl+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 84被引用数 11

ひとこと要約

このレポートは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を超えた量子色力学（QCD）研究を進めるために、CERNおよび他の施設で計画されている固定標的実験のセットを概説している。COMPASS++、LHC-FT（ガス標的および結晶標的を含む）、MUonE、NA61++といった提案は、SPSおよびLHCのアップグレードされたビームラインと検出器を用いて、陽子構造、パートン分布関数、ハドロン分光、ミューオンの異常磁気モーメントを高精度で探査することを目的としている。

ABSTRACT

This report summarises the main findings of the QCD Working Group in the CERN Physics Beyond Colliders Study.

研究の動機と目的

• コライダー実験の範囲を超えて、クォークの閉じ込め、パートンダイナミクス、QCD相図といった基本的QCD現象を調査すること。
• フォーム因子、パートン分布関数（PDFs）、スピン依存分布関数を含む、陽子および核子構造の高精度測定を改善すること。
• 高強度ミューオンビームおよび電子ビームを用いて、ミューオンの異常磁気モーメントや陽子電荷半径といったレアプロセスを測定すること。
• 固定標的配置におけるハドロン分光、中間子およびパイオンの極効率、および重イオンダイナミクスを調査すること。
• 専用の実験プログラムを通じて、将来のニュートリノ振動、宇宙線シャワー、コライダー物理学のための高精度QCD入力の提供を可能にすること。

提案手法

• SPS M2ビームラインのアップグレード検出器（COMPASS++）を活用し、弾性散乱、Drell-Yan、Primakov過程の高統計的測定を実施する。
• LHCbで曲げ結晶技術を導入し、磁場内でのスピン進化を用いて、短寿命バリオン（例：Λc）の磁気双極子モーメントを測定する。
• SPSで高インテンシティミューオンビームを用いて、電子-ミューオン散乱（MUonE）を実施し、ミューオンg-2におけるハドロン的真空偏移寄与を高精度で決定する。
• アップグレードされたTPC、バーテックス検出器（例：MAPS）、およびカリメータを用いて、高多重度環境下での高精度な粒子同定およびトラッキングを実現する。
• シミュレーションおよび疑似データスタディを実施し、実験感度を予測し、ビームエネルギー、強度、検出器構成を最適化する。
• 理論モデル（例：ちくちく摂動理論、SMESモデル）を予想されるデータと統合し、PDF、散乱振幅、スペクトル関数を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオンおよびカイオンの正確なパートン分布関数は何か？ そして、クォーク-反クォーク海構造をどのように制約するか？
• RQ2 COMPASS++におけるミューオン水素または電子-陽子散乱を用いて、陽子電荷半径を0.01 fm未満の精度で測定できるか？
• RQ3 LHCbにおける曲げ結晶を用いたミューオンビームラインは、Λcバリオンの磁気双極子モーメントに対してどの程度の感度を有するか？
• RQ4 MUonE実験は、ミューオンの異常磁気モーメントにおけるハドロン的真空偏移寄与をどの程度の精度で決定できるか？
• RQ5 NA61++およびLHC-FT実験における、チアモン粒子、Drell-Yan、オープンcharm生成の予想収率および運動量的カバレッジは何か？

主な発見

• COMPASS++の予測では、ミューオン-陽子弾性散乱を用いて陽子電荷半径の感度が約0.01 fmに達し、フォーム因子比GE/GMの精度が約1%に達する。
• ガス標的（例：SMOG2）を用いたLHC-FTでは、180 GeVのビームモーメントで100日間で約10^5個の反陽子イベントが得られると予想され、パートン分布関数の高精度な研究が可能になる。
• MUonEは、ミューオンg-2におけるハドロン的真空偏移寄与に0.1%の精度で到達すると予想され、現在の制約を著しく改善する。
• NA61++では、√sNN = 8.6 GeVでcharmクォーク対生成のエネルギー依存性を統計誤差約10%の精度で測定できると予想される。
• COMPASS++計画では、Primakov効果を用いた中間子極効率の5σ観測が可能であり、断面積比RKの感度が約10^-4に達する。
• LHCSpinのシミュレーションでは、LHCb-FTで偏光ガス標的を用いたDrell-Yan過程におけるSivers非対称性測定が20%向上する可能性がある。